DE2645223A1

DE2645223A1 - Verfahren zur gewinnung von kenngroessen fuer die regelung des schweissprozesses beim lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE2645223A1
Application number: DE19762645223
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Puschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Elma-Technik Elektronik und Maschinenbau-Spezial-G
Priority date: 1976-10-07
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1978-04-13
Also published as: CA1094170A; IT1088080B; US4169224A; NO773416L; GB1566475A; JPS5383946A; ES466609A1; BE859435A; DK444577A; ES462747A1; SE7711067L; FI772954A; NL7710244A; DE2645223B2; FR2366909A1; DE2645223C3

Description

Patentanwalt Dr. Lothar Marx

Dipi.-Phys.

8 München 70

Am Brombeerschlag

Telefon 089 713813

Anwaltsakte 4005 München, " 1· OHt,

Dr.-Ing. Peter Puschner 5100 Aachen-Vaalserquartier

Verfahren zur Gewinnung von Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses beim Lichtbogenschweißen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Kenngrößen aus elektrischen Betriebsgrößen für die Regelung des Schweißprozesses beim Lichtbogenschweißen.

Bei einer Abweichung eines Lichtbogen-Schweißprozesses von seinem optimalen Ablauf werden den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses, also insbesondere Schweißspannung und Schweißstrom oder einer mathematischen Verknüpfung dieser beiden Größen, im allgemeinen Kenngrößen überlagert, die ein Maß für diese Abweichung darstellen und deshalb zur Regelung des Schweißprozesses auf den optimalen Zustand herangezogen v/erden können.

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Deutsche Bank München 57/41111 Postscheckkonto München 154221-803

Diese Kenngrößen werden entweder durch den Scheißprozess bei seinem Ablauf selbst oder durch Zusatzvorrichtungen erzeugt, die auf den Schweißprozeß einwirken, beispielsweise den Lichtbogen aus seiner stationären Lage auslenken. Diese Kenngrößen befinden sich beispielsweise als Modulation auf den sonst stationären Betriebsgrößen des Schweißprozesses.

Alle Meßtechnisch zugänglichen Betriebsgrößen eines Lichtbogenschweißprozesses, wie Lichtbogenspannung, Schweißstrom, Lichtbogenlänge, Lichtbogenhelligkeit, Lichtbogentemperatur usw. sind jedoch mit einem nicht zu vermeidenden störenden Rauschanteil versehen. Hinzu kommen noch Störungen, die von der Bauart der eingesetzten Schweißenergiequelle herrühren bzw. deren Ursache in der treibenden Netzspannung liegt. Diese Rauschanteile werden durch Materialübergänge im Lichtbogen, lingleichmäßigkeiten in der Nahtfuge, Unregelmäßigkeiten in der Drahtzuführung und in der Drahtausbildung sowie durch andere Einflüsse erzeugt.

Ein wesentliches Problem für die Gewinnung von Kenngrößen aus den elektrischen Betriebsgrößen liegt deshalb darin, die Einflüsse zu eliminieren, die von der treibenden Schweißenergiequelle ausgehen. Dazu gehören vor allen Dingen NetzspannungsSchwankungen sowie die Welligkeit der elektrischen Betriebsgrößen, wie sie bei Schweißenergiequellen mit Brückengleichrichtern auftritt.

Mit der vorliegenden Erfindung soll deshalb ein Verfahren der angegebenen Gattung geschaffen werden, mit dem die netzseitigen Störgrößen eliminiert werden können.

Dies wird bei einem Verfahren der angegebenen Gattung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

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Zweckmäßigerweise wird diese Nachbildung parallel zum
Schweißlichtbogen von derselben Quelle und über dieselben Quellenklemmen betrieben. Die Nachbildung ist so
aufgebaut, daß ihr elektrisches Verhalten dem des
Schweißlichtbogens in Bezug auf zwei definierte Klemmen
entspricht. Die elektrischen Betriebsgrößen dieser Nachbildung werden nun in einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise mittels einer elektrischen Brückenschaltung, kontinuierlich mit den elektrischen Betriebsgrößen des
tatsächlich ablaufenden Schweißprozesses und insbesondere des Schweißlichtbogens verglichen, wobei sich Störungen und Welligkeit der Schweißenergiequelle in gleicher
Weise auf den tatsächlichen Schweißprozeß und auf die
Nachbildung auswirken, so daß sie eliminiert werden können.

Prozeßtypische Kenngrößen, die entweder beim SchweißprozeO selbst erzeugt oder durch auf den Schweißprozeß einwirkende Zusatzeinrichtungen hervorgerufen werden, wirken nur auf den tatsächlichen Schweißprozeß ein, so daß sich Unterschiede in den elektrischen Betriebsgrößen von
Schweißlichtbogen und Nachbildung ergeben, die ausgewertet und zur automatischen Angleichung der Betriebsgrößen des Schweißprozesses an die durch die Nachbildung gelieferten Größen herangezogen werden können.

Die Nachbildung des Schweißprozesses bzw. des Lichtbogens wird zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß sie.nur eine
Leistung von wenigen Milliwatt aufnimmt, um die Schweißenergiequelle nicht zusätzlich zu belasten. Dadurch lassen sich die netzseitigen Störgrößen mit geringem Aufwand und Leistungsverlust eliminieren, sowie prozeßtypische Kenngrößen erzeugen.

Bei der Synthese einer Nachbildung eines technischen
Schweißlichtbogens durch ein elektrisches Netzwerk muß
beachtet werden, daß der Lichtbogen einen elektrischen
Zweipol darstellt, der eine komplexe Impedanz hat. Außer-

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dem müssen das statische und dynamische Verhalten des Schweißlichtbogens berücksichtigt werden. Mit Hilfe der ais der Regelungstechnik bekannten Netzwerksynthese ist es möglich, eine ausreichend gute Nachbildung eines Schweißprozesses und insbesondere eines Schweißlichtbogens zu realisieren.

Zweckmäßigerweise wird die Lichtbogennachbildung durch ein passives Netzwerk gebildet, das eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes mit einem Kondensator aufweist. Sowohl diese Nachbildung als auch der Schweißlichtbogen sind Bestandteile einer elektrischen Brückenschaltung, deren Zustand über einen Brückenmeßverstärker ermittelt wird. Die Nachbildung und damit auch die Brükkenschaltung wird während des Schweißvorgangs mit den gewünschten Parametern über eine Stellvorrichtung, beispielsweise ein Potentiometer, abgeglichen.

Eine Verstimmung der Brücke stellt ein Maß für eine Änderung des Prozeßzustandes des gerade ablaufenden Schweißprozesses dar. Bei den üblichen Schweißprozessen, bei denen die Schutzgasmenge pro Zeiteinheit, die Drahtzuführungsgeschwindigkeit und die Schweißgeschwindigkeit konstant gehalten werden, geben bei einer Brückenverstimmung der Betrag und das Vorzeichen des vom Brückenmeßverstärker gelieferten Ausgangssignals die Abweichung des Abstandes des Schweißbrenners zum Werkstück, bzw. eine Änderung der Lichtbogenlänge und des sogenannten freien Drahtendes. Betrag und Vorzeichen des Ausgangssignals können als Meßwert einem Regler zugeführt werden, der über eine steuerbare Stellvorrichtung die Höhe des Schweißbrenners und damit die Lichtbogenlänge und das freie Drahtende automatisch auf den optimalen Wert korrigiert. Dabei wird vorausgesetzt, daß höher frequente Rauschanteile über 5 bis 10 Hz., beispielsweise durch Integration

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des Ausgangssignals des Brückentneßver stärkers unterdrückt werden.

Da die elektrischen Betriebsgrößen eines Sclnveißprozesses und auch das Ausgangssignal des oben erwähnten Brückenmeßverstärkers mit einem starken Rauschanteil behaftet sind, können Schwierigkeiten bei der Gewinnung der elektrischen Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses auftreten. Es wird deshalb angestrebt, aus den elektrischen Betriebsgrößen die Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses so herauszufiltern, daß ihr Rauschanteil möglichst gering i^t und sie ohne weiteres verarbeitet und zur Regelung herangezogen werden können.

Dies würde bei einem Verfahren der angegebenen Gattung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 8 angegebenen Merkmale erreicht.

Dabei läßt sich auf einfach zu realisierende Weise der Rauschanteil der elektrischen Betriebsgrößen eliminieren, so daß die Kenngrößen ohne weiteres gewonnen und einfach verarbeitet werden können.

Zweckmaßxgerweise wird dieses Verfahren zur Eliminierung des Rauschanteils in Verbindung mit der oben erläuterten Nachbildung betrieben, so daß das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers zur Regelung der gewünschten Betriebsparameter des Schweißprozesses herangezogen werden kann.

Erfolgt die Anregung des Schweißprozesses durch die Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären Lage mittels eines steuerbaren Elektromagneten, so kann die dadurch hervorgerufene Änderung der elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses als Kenngröße gewonnen und

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zur Seitenführung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge herangezogen werden, me as ia de-a älteren Patentanmeldungen, amtliches Aktenzeichen P 25 33 448.9 und P 25 46 89%.4 des Anmelders arläutert wird, Gleichzeitig stellt eine Zwischengröße, nämlich das Ausgangssignal eines weiterhin vorgesehenen Halteverstärkers, des auf die beschriebene Weise vom Rauschanteil bereinigten Ausgangssignals des Brückenmeßverstärkers ein Maß für den Abstand Shweißbrenner-Werkstück dar, so daß bei Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert eine Regelung auf den optimalen Abstand durchgeführt werden kaan.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden^ schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf von Schweißspannung und Schweißstrom für einen normal ablaufenden Schutzgas-Schweißprozeß bei Verwendung einer Schweißenergiequello mit Brückengleishrichter5

Fig. 2 das zeitlich© elektrische Verhalten eines MIG-Schweißlichtbogens bei sprunghaften Änderungen der Schweißspannung;

Fig. 3 eine aus einem passiven Zweipol bestehende Nachbildung ©ines Lichtbogens mit einem Verhalten, wie es in Fig. 2 dargestellt ist;

Fig. 4 eine Brückenschaltung für den Vergleich von Lichtbogen und Nachbildung;

Fig. 5 den Verlauf des Ausgangssignals ©iz2.es bei der Brückenschaltung vorgesehenen Brückenmeßver™ stärkers beim Überfahren einer Stufe im Grund-

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AO

werkstoff mit einem Schutzgas-Schweißbrenner;

Fig. 6 eine Darstellung eines Zyklus der Meßwertaufbereitung zur Gewinnung der Kenngrößen bei Anregung des Schweißprozesses; und

Fig. 7 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Gewinnung von Kenngrößen für die Seiten- und Höhenführung eines Schweißbrenners.

Bei einem ungestört ablaufenden Lichtbogen-Schweißprozeß stellen sich stationäre Werte für die Schweißspannung und den Schweißstrom ein. Dabei ist mit "stationär" gemeint, daß sich für die Dauer des Schweißvorgangs konstante Mittelwerte der Prozeßgrößen ergeben. Die Untersuchung von stationären Schweißparametern mit einem zeitlich hoch auflösenden Meßinstrument, wie beispielsweise einem Kathodenstrahl-Oszillographen, zeigt jedoch, daß die Prozeßgrößen in einem breiten Frequenzband um den stationären Mittelwert schwanken.

Figur 1 zeigt den qualitativen Verlauf von Schweißspannung u (t) und Schweißstrom i (t) mit der Zeit t bei einem Lichtbogen-Schutzgas-Schweißverfahren und Verwendung einer Schweißenergiequelle mit Brückengleichrichter.

Es läßt sich erkennen, daß eine zeitliche Korrelation zwischen der Spannung u (t) und dem Strom i(t) besteht.

Das dynamische Verhalten eines elektrischen Verbrauchers, also auch eines Schweißprozesses, kann durch gezielte Anregung, beispielsweise mittels einer Sprungfunktion, ermittelt werden. Fig. 2 zeigt die Stromantwort i(t) eines Schweißprozesses auf eine eingeprägte Spannung u(t). Es läßt sich erkennen, daß einer vorgegebenen ein-

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geprägten Spannung u(t) eine definierte Reaktion des Stroms i(t) entspricht, die sich eindeutig von dem ursprünglichen, ungestörten, stationären Signal unterscheidet.

Fig. 3 zeigt einen elektrischen Zweipol, dessen elektrisches Verhalten ähnliche Eigenschaften hat wie der Sclnveißprozeß, dessen Reaktion auf eine Änderung des Schweißstroms i(t) in Fig. 2 dargestellt ist. Dieser elektrische Zweipol besteht aus einem ohmschen Widerstand 1, zu dem eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 2 und einem Kondensator 3 parallel geschaltet ist.

Da dieser Zweipol ähnliche elektrische Eigenschaften wie ein Schweißprozeß hat, kann er als elektrische Nachbildung eines solchen Schweißprozesses betrachtet werden.

Werden nun der Schweißprozeß, d.h., die elektrische Einheit aus Stromzuführung, Brenner, Lichtbogen und Werkstück, sowie die in Fig. 3 dargestellte Nachbildung von derselben Schweißenergiequelle betrieben, so läßt sich eine Abweichung des Schweißprozesses vom Sollwert mittels eines Vergleichs der elektrischen Betriebsgrößen des normal ablaufenden Schweißprozesses mit den elektrischen Betriebsgrößen der Nachbildung feststellen. Obwohl die verschiedensten Betriebsparameter Einfluß auf das elektrische Verhalten des Schweißprozesses haben und dadurch mit dem hier beschriebenen Verfahren erfaßt werden können, sollen im folgenden als bevorzugtes Ausführungsbeispiel Abweichungen erläutert werden, die sich bei einer Änderung des Abstandes des Schweißbrenners vom Werkstück oder der Lichtbogenlänge ergeben.

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In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, die ein vom Vergleich zwischen den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses und den elektrischen Betriebsgrößen der Nachbildung äahängendes Aus gang's signal erzeugt. Die Klemmen einer Schweißenergiequelle 5 sind jeweils mit einer ersten Serienschaltung, die durch den Schweißprozeß 6 und einen Meßwiderstand 7 gebildet wird, sowie einer zweiten Serienschaltung verbunden, welche durch die Nachbildung 8 und einen Meßwiderstand 9 gebildet wird. Dabei soll der schematisch angedeutete Schweißprozeß 6 das gesamte, die elektrischen Betriebsgrößen beeinflussende Schweißsystem umfassen, also insbesondere die Zuführungen, den Brenner, den Lichtbogen und das Werkstück. Als Nachbildung 8 kann der in Fig. 3 dargestellte Zweipol verwendet werden.

Die beiden Serxenschaltungen bilden jeweils einen Zweig einer Brückenschaltung. An die Knotenpunkte zwischen dem Meßwiderstand 7 und dem Schweißprozeß 6 sowie zwischen dem Meßwiderstand 9 und der Nachbildung 8 ist ein ßrükkenmeßverstärker 10 angeschlossen, der an seiner Ausgangsklemme 11 ein Signal liefert, welches ein Maß für die Verstimmung der Brücke ist. Das Ausgangssignal an der Klemme 11 ist nur dann Null, wenn das elektrische Verhalten des Schweißprozesses 6 und der Nachbildung 8 identisch sind, sie also sich entsprechende elektrische Betriebsgrößen haben. Die Nachbildung 8 und der Meßwiderstand 9 können so ausgelegt werden, daß durch diesen Brückenzweig nur ein Strom von wenigen mA fließt. Mit dieser Schaltung läßt sich erreichen, daß netzseitige Störungen nicht mehr im Ausgangssignal an der Klemme 11 enthalten sind.

Fig. 3 zeigt schematisch das Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff mit einem Lichtbogen-Schweißbrenner mit

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abschmelzender Elektrode. In einem Diagramm U (t) ist der zugeordnete zeitliche Verlauf des an der Aus gang ski enune des Brückenmeßverstärkers 10 auftretenden Ausgangssignals ohne Rauschanteil dargestellt. Es läßt sich erkennen, daß bei konstanten Betriebsbedingungen das Signal V. (t) ein Maß für den Abstand Brenner-Werkstück ist. Dieses Signal wird in einer Einheit 47 ausgewertet und zur Höhennachführung des Schweißbrenners herangezogen.

Die Auswert einheit 4:7 weist eine Subtrahier schaltung 5 0 auf, in der vom Ausgangssignal an der Klemme 11 das Signal einer Bezugsspannungsquelle 51 abgezogen wird, die ein den Sollwert des Abstandes Brenner-Werkstück darstellendes Signal erzeugt. Bei richtigem Abstand Brenner-Werkstück, also richtiger Lichtbogenlänge, sind das Signal an der Klemme 11 und das Signal der Bezugssignalquelle gleich, so daß die Subtrahierschaltung 50 das Ausgangssignal Null hat. Unterscheiden sich die beiden Signale, so wird das von Nulljabweichende Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 in einem Verstärker 52 verstärkt und über einen Servomotor M zur Höhennachführung des Schweißbrenners verwendet.Dabei wird der Abstand Schweißbrenner-Werkstück solange verstellt, bis das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 wieder Null ist.

Die elektrischen Betriebsgrößen eines Lichtbogenschweißprozesses sind mit einem starken Rauschanteil behaftet, so daß sich die aus solchen elektrischen Betriebsgrößen gewonnenen Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses unter Umständen nicht von den Rauschanteilen abheben. Dies gilt beispielsweise für die elektrische Kenngröße, wie sie beim Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff entsteht. In Fig. 5 ist diese Kenngröße U. (t) ohne Rauschanteil dargestellt. Auch die Kenngrößen, die beispielsweise durch Auslenkung des Lichtbogens aus einer normalen Lage auf den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses erzeugt werden,

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können unter Umständen im Rauschen untergehen.

In Fig. 6 ist das Ausgangssignal U (t) des Brückennieß-Verstärkers 10 dargestellt, wie es sich für ein Unterpulverschweißverfahren bei der in Pig. 4 dargestellten Ausführungsform aus dem elektrischen Verhalten des Schweißprozesses und seiner Nachbildung ergibt. Dabei erfolgt im Zeitintervall t - t eine Beeinflussung des Lichtbogens durch ein Magnetfeld. Ohne eine solche Beeinflussung hätte U. (t) im Intervall t - t den ge-

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strichelt dargestellten Verlauf genommen.

Wie in den Patentanmeldungen, amtl. Aktenzeichen P 25 33 448.9 und P 25 46 894.4 des Anmelders erläutert wird, stellt eine solche, durch eine Auslenkung des Lichtbogens mittels eines Magnetfeldes hervorgerufene Änderung der elektrischen Betriebsgrößen eine Information bzw. Kenngröße dar, die zur Regelung des Schweißprozesses, insbesondere zur seitlichen Führung des Lichtbogens längs einer Fuge, herangezogen werden kann.

Wie sich aus Fig. 6 ergibt, ü der Unterschied zwischen dem gestrichelt dargestellten, ungestörten Verlauf von U. (t) und der bei der Auslenkung auftretenden Änderung

so gering, daß sich diese Differenz nur mit großen Schwierigkeiten erfassen und auswerten läßt.

Um die Information, die in der vom Brückentneßverstärker gelieferten Kenngröße enthalten ist, zu entschlüsseln, wird durch den Rauschanteil des Schweißprozesses bedingte Änderung der Ausgangsgröße U (t) sowohl vor als auch nach dem Zeitintervall betrachtet, in dem die Information mittels der Auslenkung des Lichtbogens auf die Ausgangsgröße einwirkt und diese verändert.

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Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Bei unbeeinflußtem Schweißprozeß ändert sich die Ausgangsgröße U (t) im Zeitintervall t - t so, daß folgende Bedingung erfüllt ist:

*o V^T/2 *i

J U_A(t) dt + f U_A(t)dt - j U_A(t)dt =

t -T/2 t. t

ο ' 1 ο

Wild nun der Schweißprozeß während des Zeitintervalls t -t für die Zeitdauer T angeregt, indem beispielweise der Lichtbogen mittels eines Magnetfeldes aus seiner stationären Lage ausgelenkt wird, so ändert sich in diesem Zeitraum U. (t), so daß auch das Ergebnis der oben angegebenen Gleichung ungleich Null wird. Der Prozeßzustand kann dabei durch Vorzeichen und Betrag des Ergebnisses der Gleichung gekennzeichnet werden, das im angegebenen Beispiel ein Maß für die Veränderung der Lichtbogenlänge bei einer magnetischen Ablenkung des Lichtbogens ist,

Xn Fig. 7 ist eine elektrische Schaltung dargestellt, mit deren Hilfe aus verrauschten elektrischen Betriebsgrößen eines Schweißprozesses Kenngrößen für seine Regelung gewonnen werden können. Diese Kenngrößen werden sowohl zur seitlichen Führung des Lichtbogens als auch zur Höhensteuerung des Brenners herangezogen.

Eine an ein elektrisches Wechselstromnetz 12 angeschlossene Schwexßenergiequelle 13 betreibt einen Schweißprozeß lk und eine Nachbildung 15· Dabei soll der schematisch angedeutete Schweißprozeß lk die elektrische Zuleitung, den Schweißbrenner, den Lichtbogen und den Werkstoff umfassen. Die Nachbildung 15 entspricht der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, enthält also einen ohmschen Widerstand l8, der parallel zu einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 19 und einem Kondensator 20

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geschaltet ist. In Reihe zu dem ohmschen Widerstand l8 liegt ein Potentiometer 21, mit dem die Nachbildung 15 an den angestrebten Schweißprozeß lk angeglichen werden kann. Dies ist gleichbedeutend mit einer Abstimmung der Brücke, die wie bei der Ausf uhrungsform nach Fig. k durch eine Serienschaltung aus Schweißprozeß lk und einem Meßwiderstand l6 einerseits sowie der Nachbildung 15 und einem Meßwiderstand 17 andererseits gebildet wird.

Ein zwischen den Knotenpunkten der beiden Serienschaltungen liegender Brückenmeßverstärker 23 speist zwei parallel zueinander liegende Integratoren 2k und 25« deren Betrieb jeweils von einer Ablaufsteuerung 26 gestartet wird.

Die Ablaufsteuerung 26 wird von dem Wechselstromnetz gespeist und erzeugt über einen Transformator 27« einen Gleichrichter 28, einen Schmitt-Trigger 29t einen Frequenzteiler 30, je einen monostabilen Multivibrator 31t 32 und 331 eine Verteilerschaltung 3k und je einen monostabilen Multivibrator 35 und 36 zyklisch wilier kehr ende Steuersignale.

Die Verteilerschaltung 3k liefert den Ansteuerimpuls wechselweise an einem ihrer beiden Ausgänge, die mit zwei Eingängen einer Anregungsvorrichtung ko verbunden sind, die in der Zeitspanne t - t den Schweißprozeß beeinflußt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Anregungsvorrichtung als Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ausgebildet, das den Schweißlichtbogen durchsetzt und ihn aus seiner stationären Lage auslenkt.

Die Anregungsvorrichtung ko weist einen vom Wechselstromnetz 12 gespeisten Transformator 37 auf, der an eine mit den Ausgängen der Verteilerschaltung 3k verbundene Thy-

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ristorbrücke38 angeschlossen ist; die Thyristorbrücke 38 erregt einen Elektromagneten 39, der den Lichtbogen des Schweißprozesses l4 abwechselnd, unter Steuerung
der Impulse von der Verteilerschaltung 34, seitlich auslenkt. Eine solche Auslenkung des Lichtbogens erfolgt im Zeitintervall t - t und hat die Dauer T (vergleiche Fig. 6).

In der Verarbeitungseinheit 48 für das Ausgangssignal des Bruckenmeßverstärkers 23 ist der Integrator 25
über einen Verstärker 4l mit einem Halteverstärker 42 verbunden, dessen Ausgangssignal auf eine Subtrahierschaltung 43 gegeben wird; an ihrem anderen Eingang eitrofängt die Subtrahierschaltung 43 das Ausgangssignal des Integrators 2 4.

Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43 wird auf eine Einheit k6 geführt, welche die Seitenführung des Schweißbrenners entlang der Schweißfuge durchführt. Das Ausgangs signal der Subtrahier schaltung 43 wird auf zwei parallel geschaltete Halteverstärker kk und 45 der Seitenführungseinheit 46 gegeben, deren Ausgangssignale
in einer Subtrahierschaltung 53 voneinander abgezogen werden. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 53 wird auf einen Eingang einer weiteren Subtrahierschaltung 3k geführt, die an ihrem anderen Eingang das Ausgangssignal einer Bezugssignalquelle 56 empfängt. Die Bezugssignalquelle 56 liefert ein Signal, das den Sollwert für die seitliche Führung des Lichtbogens in der Schweißfuge, also die Einstellung des Lichtbogens in der Fugenmitte, darstellt. Ist das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 54 Null, so befindet sich der Lichtbogen in der Fugenmitte. Weicht das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 3k von Null ab, scywird es mittels eines Verstärkers 55 verstärkt und über einen Servomotor M

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zur seitlichen Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge herangezogen.

Das Ausgangs signal des Halteverstärkers 42 der Verarbeitungseinheit 48 wird außerdem auf eine Auswerteinheit gegeben, die den in Fig. 4 dargestellten und bereits oben erläuterten Aufbau hat und zur Höhenführung des Schweißbrenners dient.

Die monostabilen Multivibratoren 31» 32, 33 > 35 und sind so geschaltet und ihre Impulszeiten sind so eingestellt, daß sich folgende Funktionsweise ergibt: Zum Zeitpunkt, t - T/2 (siehe Figur 6) wird der Integrator 24 über den monostabilen Multivibrator 31 gestartet, um das Ausgangssignal des Brückemmeßverstärkers 23, beginnend mit dem Zeitpunkt t - T/2, zu integrieren. Dabei handelt es sich während der Zeitspanne t - T/2 bis t um das noch nicht durch die Auslenkung des Lichtbogens beeinflußte Ausgangssignal. des Brückenmeßverstärkers 23.

Zum Zeitpunkt t , bei dem der Lichtbogen mittels des von der Verteilerschaltung 34 erzeugten Ansteuerimpulses seitlich ausgelenkt wird, wird der Integrator 25 über den monostabilen Multivibrator 32 gestartet, um das durch die Auslenkung des Lichtbogens'beeinflußte Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23 während der Zeitspanne T zu integrieren.

Zum Zeitpunkt t , also bei Beendigung der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner normalen Lage, wird über den monostabilen Multivibrator 33 das Ergebnis der Integration in dem Integrator 25 nach Verstärkung um den Faktor 2 mittels des Verstärkers 4l in dem Halteverstärker 42 gespeichert, während zum Zeitpunkt t + T/2, also

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wieder bei unbeeinflußtem Lichtbogen, über die monostabilen MuItivibratoren 35 und 36 die Differenz der Ausgangssignale des Integrators 24 und des Halteverstärkers 42 über die Subtrahierschaltung 43 und unter Steuerung durch die Verteilerschaltung 34, also synchron mit der Auslenkung des Lichtbogens mittels der Anregungsvorrichtung 40, abwechselnd in dem Halteverstärker 44 oder 45 gespeichert wird.

Das Aus gangs signal der Subtidiierschaltung 43 ist jeweils zum Zeitpunkt der Einspeicherung in einem der beiden
Halteverstärker 44 oder 45 der Seitenführungseinheit proportional zu einem Wert, der der folgenden mathematischen Verknüpfung der Integrationsflächen A, B und C (siehe Fig. 6) entspricht:

A + B + C-2B = A-B + C.

Das so aufbereitete und gespeicherte Meßsignal kann dann in der Einheit 46 zur Seitenführung des Schweißbrenners entlang der Schweißfuge herangezogen werden, indem die Ausgangssignale der Halteverstärker 44 und 45 in einer weiteren Subtrahierschaltung 53 voneinander abgezogen, das Ausgangs signal der Subtrahier schaltung 53 i*¹ einer weiteren Subtrahierschaltung 54 mit dem Referenzsignal der Bezugssignalquelle 56 verglichen und schließlich
über einen weiteren Verstärker 55 und einen Servomotor M zur seitlichen Verschiebung des Schweißbrenners bei
Abweichung von dem Sollwert verwendet werden.

Der im Halteverstärker 42 gespeicherte Wert ist ein Maß für den Abstand des Schweißbrenners vom Werkstück, so
daß dieser Wert auf die oben erläuterte Weise zur Höhensteuerung des Schweißbrenners herangezogen werden kann.

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Durch die zyklische Neubildung der eingespeicherten Werte, die über die Ablaufsteuerung 26 synchron mit der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären Lage erfolgt, ergibt sich eine Folge von Meßwerten, die eine kontinuierliche Höhen- und Seitensteuerung des Schweißbrenners ermöglicht .

- Patentansprüche -

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eerseite

Claims

Pat ent ansprüche

!^/Verfahren sur Gewinnung von Kenngrößen aus elektrisehen Betriebsgrößen für die Regelung des Schweißprozesses beim Lichtbogenschweißen, dadurch ge· ke nnzeichnet , daß gleichzeitig die elektrischen Betriebsgrößen des ablaufenden Schweißprozesses (6;lA) und einer einen optimal ablaufenden Schweißprozeß (6; 1A) in seines: elektrischen Verhalten simulierenden Nachbildung (85 15) erfaßt und miteix&a&der verglichen werden, und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs Kenngrößen für die Anpassung des tatsächlichen Schweißprozesses (65 1A) asu den optimalen Verlauf gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Nachbildung (8} 15) das elektrische Verhalten des Lichtbogens simuliert wird.
3« Verfahren nacla eine® der Amapriiche i oder 2_S dadurch gekennzeichnet, daß durch die Nachbildung (8$ 15) ein Schweißprozeß (6§ ±%) mit eiaera vorgegebenen Ate si cud zwischen Schweißbrenner und Werkstück siims.liert wird, und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs zwischen den elektrisches BetriefesgrößGE. des Schweißprozesses (6; lk) tsmd demen der Nachbildung (8; I5) eine Kenngröße erzeugt wird₉ die zur atitomatiscfeen Höhennaehführung des Sshweißbreaaers asrangezogeij. wird.
4. Einrichtung siar IktrelafularuBg des Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 1 b±s 3s dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildung aus einem elektrischen. Netzwerk besteht, das eine Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes (If 18) mit einer Serie&schaltung aus einem ohmschen Widerstand C SI 19) mit einem Kondensator (3 5

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20) aufweist. λ C: I C J ') '2
5· Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6; l4) und die Nachbildung (8; 15) mit Meßwiderständen (7, 9; l6, 17) zu einer Brükkenschaltung zusammengefaßt sind, wobei die Kenngröße bei Unterschieden zwischen dem elektrischen Verhalten des Schweißprozesses (6; l4) und der Nachbildung (8; 15) an einer Ausgangsklemme (11) eines Brückenmeßverstärkers (10; 23) auftritt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5« dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6; l4) und die Nachbildung (8;15) von einer Energiequelle (5j 13) gespeist werden.
7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Netzwerk ein Potentiometer (21) zum Angleichen der Nachbildung (15) an. den angestrebten Schweißprozeß (l4) aufweist.
8. Verfahren zur Gewinnung von Kenngrößen aus elektrischen Betriebsgrößen für die Regelung des Schweißprozesses beim Lichtbogenschweißen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißlichtbogen während einer definierten Zeitspanne (T) durch eine Anregung aus seinem stationären Betriebszustand ausgelenkt wird, wobei durch die Anregung mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des Schweißprozesses (l4) eine Kenngröße überlagert wird, daß diese elektrische Betriebsgröße während der Zeitspanne (T/2) unmittelbar vor der Anregung und während der Zeitspanne (T/2) unmittelbar nach der Anregung integriert wird, und daß von der Summe dieser beiden Integrale das Integral der elektrischen Be-

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triebsgröße für die Zeitspanne (T) während der Anregung subtrahiert wird (Fig. 6).
9· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewertete elektrische Betriebsgröße durch einen Vergleich der elektrischen Betriebsgrößen einer Nachbildung (15) mit den elektrischen Betriebsgrößen des Schv.eißprozesses (lA) gewonnen wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 oder 9, insbesondere nach einem der Ansprüche k bis 7j gele ennzeichnet durch eine über eine Ablaufsteuerung (26) mit der Auslenkung des Lichtbogens synchronisierte und die Integraldifferenz bildende Verarbeitungseinheit (48) für das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers (23), wobei sowohl Kenngrößen für die seitliche Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge als auch für die Höhenführung des Schweißbrenners über dein Werkstück gebildet werden.

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